導讀：據中科院透露，中國科學院上海高等研究院工程科學團隊在3D打印技術制備車載甲醇重整制氫催化劑研究中取得進展，3D打印制備車載甲醇重整制氫催化劑，有望應用于車載燃料電池領域。該研究有助于推動甲醇重整制氫技術在車載燃料電池等領域的發展，并為新型整體式催化劑的開發提供了新思路。
氫氣的高額運輸儲存成本和低能量密度是氫動力燃料電池汽車在市場上推廣應用的阻礙之一。車載甲醇重整制氫可在不使用氫氣作為直接原料的情況下為燃料電池汽車供氫，為降低其燃料儲存成本和運輸成本提供了有效路徑。傳統催化劑機械強度低，在車輛高速運動過程中床層易破碎從而影響催化劑活性，需開發一種高機械強度，同時保持高催化活性的催化劑制備技術。
據此，工程科學團隊提出一種使用3D打印技術制備整體式催化劑，通過調控載體組成與煅燒溫度，改進催化劑空間結構等策略，開發出一種新型兼具高機械強度和高催化活性的3D打印催化劑制備方法。
3D打印催化劑。(a)：DLP-3D 打印后的基底載體，(b)：浸漬干燥結晶后的樣品，(c)：煅燒后的樣品，(d)(e)：樣品的SEM圖像和原子力顯微鏡表面形貌。
研究以 光固化3D打印技術制備催化劑載體，結合低場核磁共振空間測試金屬離子分布，分析了 3D打印氧化鋁多孔載體中機械強度、孔隙率與煅燒溫度組成的關系，揭示了多孔載體中金屬離子的擴散效應，同時開發了核磁成像定量測試金屬離子分布技術。通過干燥結晶煅燒方法，成功在高機械強度氧化鋁多孔載體上合成了銅鋅片層結構活性組分層。
通過 改進氧化鋁載體空間結構，從而 提高傳熱與傳質效率降低床層壓降，進而 提高甲醇重整反應催化效果。經過對反應參數的優化，單位質量催化劑氫氣的時空產率達到536 mol/kgcat/h，超過目前報道的大部分同類型催化劑。同時，催化劑機械強度高，徑向壓潰強度達152.4 N/mm，是目前傳統顆粒催化劑的4倍，可適應車載加速顛簸等情況。
研究有助于推動甲醇重整制氫技術在車載燃料電池等領域的發展，并為新型整體式催化劑的開發提供了新思路。
相關成果發表在Journal of Energy Chemistry上。研究得到中科院青年創新促進會、中科院科技網絡服務計劃、國家自然科學基金的資助。
與煤和天然氣相比，甲醇原料豐富，更容易儲存和運輸，因而近年來得到迅速推廣。隨著甲醇制氫工藝和催化劑的不斷改進，甲醇制氫的規模不斷擴大，制氫成本也在不斷降低，成為中小規模制氫的首選方案。
據悉，2020年，甲醇制氫占甲醇總消費的5%左右，甲醇制氫的快速發展得益于部分煉化裝置的加氫需求增加以及清潔能源政策的推廣。今年以來，由于能源價格普遍高位，甲醇作為燃料的經濟性凸顯，甲醇燃料消費量級大幅增長，目前該消費板塊占比在4.6%左右，后續仍有較大提升空間。
據悉，在2030年中國“碳達峰”之后，為滿足2060年“碳中和”的要求，預計每年需要減排約3億噸二氧化碳。因此，除了裝置節能改造、光伏風電、CCUS等手段之外，在能源領域用低碳能源和無碳的氫氣代替傳統的化石能源成為推動雙碳戰略的選項之一，氫能源是涉及化工、物流、燃料電池、機械裝備和汽車的新興產業。氫能源目前市場基數較小，疊加政策推廣等因素，未來，氫能源的成長空間將十分巨大，國內外機構對我國氫能源的消費量預測基本在6000萬噸～1.6億噸區間。
化工細分行業將從“制氫――儲運――加注/應用”三個環節中受益：制氫方面，當前階段化工副產氫是最合適的氫氣來源，長期來看低成本和低碳排放是基本的制氫要求，可再生能源電解水是制氫終極的路線，目前國內也開始布局，制氫成本的降低有利于促進氫能源產業規模的擴大；氫氣儲運方面當前以高壓儲罐和長管汽車運輸為主，預計未來將形成高壓和低溫存儲并存，多種運輸方式并存的局面；加注和應用方面，加氫站投資主體眾多，產業發展速度較快，“兩桶油”正在憑借其制氫―儲運體系以及現有的加油站資源布局加氫站。
華夏EV網綜合編輯
